氨基酸的亲_疏水性研究__各种氨基酸及其残基的疏水性标度.pdf

56 李芳生等 永寿大骨节病考察文集 195弓 33 8 页 人民卫生出版社 5 7 F Y Ya ng 杨福愉 F H U a n g 黄芬 Z H U 林治焕 In 3 dl即渡 亡阴 t io 耐 勿用夕 0 51 6 2 63 6书 6 58 5夕1 6 0 1 o f Se l 亡 苦 剐脚 洲及耐 君 y 召井d 人肠动公访e Be i ji n岛 19 84 i n press 二 杨福愉 沃维汉 中国科学 待发表 沃维汉 杨福愉 心中国科学 待发表 66 R滋son J K e td i Ed St um Pf P 61 Lyo n s J M et K 欲 里 枷刃d P肠刀廿尸子 砂5101 0 9 1979 i n Low Te附P 害t r阶 i月 W迅 emot C et 叭 in L o 即丁亡 脚PSt i行 O oP 尸 坛解 Ed s Lyo n s J M et a l 19 79 44 1 王育启 王洪春等 植物生理学报 2 18 5 198 1 鲍风 等 植物学报 2 l 6 0 198七 Pe oPl e s T R etal PZ t P l ys io f 62326 1978 Cha脚a n D J etal 尸肠户妊P儿夕sio f 72 225 1983 杨福偷等 科学通报 370 1953 杨福愉等 植物学报 待发表 c O p P 1 4刀打 E d s Lyo n s J M et a l 1979 i 全文完1 氨基酸的亲 疏水性研究 各种氮基酸及其残基的硫水性标度 温 元凯程门燕 中国科学技术大学量子生物学实验室 蛋白质由2 0种氨基酸组成 它们的亲 疏 水性的相互作用是维持蛋 白质三级结构最重要 的作用力之一山 有些变性的蛋 白质 即随机松 散分布的多肤链 能够自动地重新折叠起来 成 为具有生物活性 高度有序的天然构象 就是疏 水基起着关键作用 因此 研究各种氨基酸侧 链亲水性或疏水性的大小及其相互作用 该方 面的工作是七十年代才开展起来的 对于深人 了解蛋 白质 核 酸等生物大分子的结构与功能 具有重要意义 一 疏水性的定义 一般来说 基团的疏水性与其极性 呈正比 非极性大意味疏水性强 这是因为 水是强极 性的 而非极性的有机分子中没有任何分离的 净电荷 因此二者之 间没有有效的吸引 而水 分子之间的吸引却是可观的 故能把非极性液 体的分子 挤出去 使之几 乎完全不溶于水切 我们就认为该液体疏水性很强 但是 蛋白质各种残基的疏水性与极性还 是有区别蒯s l 极性是从原子观点定义 的一种性 质 笼统地说 若分子中电荷分布不每匀 正数 电荷 的重心不相重叠 则称分子具有极性 对 于蛋白质大分子 ch o t h ia l l 0 定义N 0 s为极 性原 子 侧链带有N O s的氨基酸残基 为极 性残基 侧链上 只有c原 子的残基为非极性残 基 一般 认为 非 极性残基埋在蛋白质分子内 部形成一个疏水核 它被和溶剂 接触的外层极 性残基包着 但是 全部残基的疏水性与从 原 子观点定义 的极性毕竟不是 一回事 有人通过 实验 研究氨基酸从水中转人有机试剂中自由 能 的变化来定义疏水性场 L e e 等人1 5 一1 3 使用 不同方法 分别测定 了蛋 白质的X射线结构 经 验地定义 了氨基酸的疏水性 现将这些 工作分 别介绍如后 二 各种盆墓酸硫水性的标度与讨论 1 从甚团质心平均减少的距离 闭 Tb e 哪 redue司 di sta n c e f r hece nL re 砧m二 定义 一 李 R R 从蛋白质质心到分子中某一残基的 距 离 R 蛋白质旋转半径的均方根 衷t权谷 舀团质心减小的距离 氨基酸 用于计算每一 氨基酸 y t 的侧链原子 0 9 4士0 02 1 08斗0 03 0 84土0 04 1 12士0 D3 0 73士0 03 以口 夕 助 dN e l C a l郎C s l JJC lC a N l 创 伪 以郎 印 aP巧Uey 拓 A I A sC yG IP h l G I l l e H i 把 分成 0 一个区间的不连续区域 得 到 从基团 质心平均减少的 距离一 艺 0 05 伏一 o 0 2 5 介 了 Z 几 白 了 一 艺 尸 r r N丢一 不 p 一 2 N L v sL e u Me tA s nP r oG l nA r s 廿南 r N 走 少七气月 I 凌 N r 比 J 注 Pr 红 h a r jy S丁 VT T N 蛋白质样品中某一残基的总数 N 某一残基 在区间 及内的数目 伙 第互个区间内减 小 的半径值 蛋白质样品1 9个 选择条件详见文献 其坐标取自B ro c kha ve n 国家实验室蛋白质数 据库 代人公式 l 2 计算 r 得 表 1 从蛋白质质心 到 碳原子 的距离 R 0 9 3土0 02 1 01土0 02 0 88十0 03 1 02土0 02 0 78士0 03 1 00士Q 0 2 0 吕9士0 0月 0 79 0 0 2 1 0 5 0 0 2 0 85土0 02 0 8斗士0 03 0 98士0 02 1 00士0 02 1 02土0 03 0 98土0 03 1 0 2十0 0 2 0 99土0 03 0 81土0 0 2 0 83士0 04 0 93士0 03 0 92士0 05 0 76士0 02 1 23士0 02 0 82士0 03 0 83土0 04 1 04土0 02 1 04土0 03 1 11立0 03 1 09土0 03 1 0 斗土0 02 1 02土0 02 0 81士0 02 0 87士0 0呼 1 03士0 03 从蛋白质质心到某一远处碳原 子的距离 R 根据表 1 中 0 88 Cys phe Ile L eu Met V a l T rP 中性 0 5 5 r 0 95 A la His Tyr 亲水性 0 9 5 A sp G l u G ly Lys A sn p r o G ln A rg Ser Thr 把类似的分类方法应用 于 得到同样 结果 反 Ty r 落到亲水范围 从表 1还 可观察 到 在大多数情况下 的疏水残基 亲水残基 几 这说明疏水侧链倾向 于靠近蛋 白质内部的疏水核 而亲水侧链偏于 分子较外部被水包围 的亲水层 可以推断 值小的残基是疏水性的 容易出现于蛋 白质分 子内部 值大的残基以亲水性 为特征 易出 现于分子外部 乙平均侧链倾角 o aver ageside一chain orie n 一etat io n al an gl e 定 义0是蛋 白质质心一口与少一侧链原 子两矢量间之夹角 称为侧链倾角 把 0一1 80 分成 3 6 0为一区 间的5 0个区 域 则平均侧链倾角 O 的计算公式 0 一 艺 工 3 6仅一 8 8 二去一 o 香 N丢 3 习 q 口 一 2 户 4 其中 一 N 入是第及个区 间出现侧链倾角夕的数目 将1 9 种蛋白质样品 同标度l 的坐标代 人公式 3 4 计算 a A a e a 分别 代表较小蛋 白质组 较大蛋白质组和全部1 9 种 样品的 的值 和 n B组分子内区的 a 值 o u B组分子外区的 e 值 得表2 根据表 2 中 值 把氨基酸分成三类 农2妞二的平均侧胜栩角 氮基 酸 G 0 日 t C 组 e 8 1土4b 91土3 6 9士5 113土6 7 1土4 120士6 92士8 11斗士5 67士3 112士5 72土斗 88 8 7 3土4 100十5 90士6 1 00士4 62土3 101土斗 9 1士5 97 嘴 52士了 83土11 77土8 86土8 89土10 9 斗土5 89士11 9 6土5 103士斗 80土11 86士1 0 8 5士9 90士习 8 5士10 95十6 gJ 7 1DD士4 98士3 83士8 74十8 91士4 加 土6 65士月 93土10 72 5 111士5 9 0 8 10丁土5 60土3 1 0斗 4 89士8 1 0 3士8 7 0 士4 7 6 土5 6 4士4 7 6士6 77士6 82土碑 9 2士斗 8 3十8 97士8 82 4 8 7十3 71十 3 l 月土5 72 3 108土5 卯士 105士3 63士2 104士3 aP 砍 AA J 伪G l l外H i决 107士8 64土5 78士石 63士5 85士6 名7士5 80土5 朋士弓 95士7 7 3士4 7 8士4 68土牛 为土5 8 2士3 8 4土4 96士3 10 0 5 70 3 78土4 66士3 8 1 4 83士3 83 3 叫士3 L v sL e u 枷骊杨 c l n A r g s e rT h rv a l T rP Tyr 104土9 9 0土6 9 0土6 8 0十4 9斗十弓 8 3 3 注 b ZN 广 疏水性 e 95 eys x一 e L eu Mo t 中性 55 0 o 5 这可由几何 效应 和疏水相互作用来解释 大多数疏水侧链 较大 在较小的蛋 白质中 几何变形力增 强以使 位于蛋 白质一溶剂界面上的疏水基与溶剂不接 触 在较大蛋白质中 侧链能够占据一定空间 与溶剂排斥作用较小 故 e A 在A组和 B 组中 Ty r 和 A l 表现出的疏 水性十分不 同 这可 由氨基酸残基中疏水基和 亲水基的相互竞争予 以解释 以Ty r为例 对 较小蛋白质组 氨基酸数民5 4一巧3 落在 中性 区 较大蛋 白质组 氨基酸数 目 19 4 落在亲水区 且 对A组蛋 白质 B i n 一 8 4 土8 口 u 1 02士 4 A 一 9 0士 6 即 日 ut 8 n 这是因为 Tyr 由 一C H 一 高 度非极性的苯环 以及与苯环相连的极性径基三 者组成 刚性较强 其 C 位于 内部使苯环埋 人 露 出 一o H C 离分子质心越远的 Ty r 残 基 变形力越大 使 Ty r 与水接近时呈疏水 性 在蛋白质内部时呈亲水性 即 日 o u 大 n 小 Tyr 是唯一的 e C 8 是蛋白质一 C 与 c a 一c 间矢量之夹角 远大于钾 的氨基酸 氏 的高值反映出分子主干迫使 一CHZ一 伸向 内部 一O H 伸向外部 从而使 o 减小 3 平均围绕 aver agesurr o u n 山雌 疏 水性标度 9 1 定义 围绕疏水度 为每个残基 周围半径 在 s 入以内的氨基酸残基 的 N o z aki一Tao fo rd Jo n 指数的总 数 r6一 毯一 艺 L 其中乌I是蛋 白质中与第了个残基结合的 云种围绕残 基的 总 数 h 是第派个残基 的 N o z aki 一T an f ord 一Jon e 疏水性指数 H i 的算术平 均值反映出残基所选择 的疏水性环境 即 体积疏水特性 2 0 种氨基 酸的值见表 3 根据表 3把氨基酸残基分 成三类 疏水性 H 13 5 0 v al Il e L eu Cys Me t Phe T rP 中性 1 2 00 H 13 o Tyr A la Gly His 亲水性 H 12 0 0 Glu G n A rg T h r A s n Pro Lys Ser A sP 落 3 奴谷 的平均圈境硫水性标度 娜 氨基酸 K e al mol 氨基酸 H K ea l m ol 15 7 1 15 67 14 90 14 63 1 4 39 I斗 00 13 93 13 斗2 12 97 吩 GIU 12 16 11 89 11 7 11 72 1 1 6 2 11 42 11 37 1 1 3 6 1 1 23 10 85 N链和c 一N 肤键都不能旋转 且 肤键不具亚氨 基 不能 形成链内氢键 限制了形成 螺旋体 只能留在表面 因此 降低了围绕疏水性 表 3还可看出 G l o G l u 和 Ar g 是极性 基 团中 疏水性较大的 带 电荷的A s p 残基疏水性最低 4 Na z a肠 T a o f or d 川 和Jo s l 刀 的硫 水性指数 测 定 了氨基酸 二甘肤链和三甘肤链在水 溶液 乙醇和二嗯烷溶液中的溶解度 计算出氨 基酸侧链和肤链从水 到 二嗯烷中的 自由能转化 值 结果表 明乙醇和 二嗯烷 对氨基酸等 的溶解 度相似 其自由能转化值也基本相等 用 疏水侧 链到 10 0 多乙醇和二嗯烷溶液中自由能的转化 值 见 表劝建立了一种氨基酸的疏水性标度 根据表 4 把氨基酸分成 疏水性 T rp n e phe Pro Tyr Leu V al M et Lys C ys 亲水 性 Ala Hi s A rg G lu Asp Gly A sn Se r T hr Gln 该标度只考虑孤立氨基酸从水相转人有机 相的 自由能变化值 常不能 反映蛋白质分子中 氨基酸残基真实 的疏水性 例 如表 4 中Ty r的 疏水性 很高 并不能肯定 在蛋 白质中 Ty r 易被 埋人 P r 的高疏水性也不能说明P r 容易进 人蛋 白质内部 实 际上 P r 容易处于分子表层 农 4 且基 的 自由能转化值 ng廿0 n5 卜 r hS Jn 了 GA丁 人 P L交 I I U侣鱿epT 印y v aI l eL e l卿MeP h功T A l s 以 从表 3 来看 Va l 和 n 的围绕疏水性最 大 而根据 Ta n f or d定义 的热力学转化值 v a l 的非极性小于 Ile phe 和 T rp Trp 和Tyr的 较低表明 即使一个很大的非极性侧链 其中有一个极性原子疏水环境就大大降低 注 意此标度中P r 的平均疏水值落在极性基 团的 H 值范围 原因是 脯氨酸虽也是脂肪烃 侧链 但它是一种 a 一亚氨 基酸 H c COO 一 氨氨基酸 酸 自由能转化值 基酸酸自由能转化值值 K e a zm o Ke al mol T T Trp p p A 0 87 7 7 1 1 1le e e 5 H 0 87 7 7 P P Phe e e i A g g g 0 85 5 5 P P Pro o o 7 1 1 1卜 G u u u ot 67 7 7 T T Tyr r r 8 7 A p p p 0 66 6 6 L L Le u u u 6 了 G y y y0 10 0 0 V V VZI I I 6 斗 1 1 1 1 ASn n n D Dg g g MMM et t t z Se r r r 0 09 9 9 L L Lys s s s s f hr r r0 07 7 7 C C Cys s s s s Gln n n0 00 0 0 H C aC H 兰 NI 5 We r 恤和S c h e rag a l l 0 的硫水性标度 定义蛋白质每一种残基埋在分子内部的分 声 数 P i 埋在分子内部残基 的数目 碳原子参与R基毗咯的形成 环内的几 残基总数 17 计算2 0 种蛋 白质的只 n 值 列出表 平均埋人分数叮 0 5 7 表 中非极性残基A l 和P r 的已 值小于 0 57 可能是因为 A l 的 甲基侧链比较小 与两 个使A I 残基和其它多肤键相连的极性肤链相 比 非极性不足 以使A l 残基优先进人内部 净 效果是 A l 在分子内部和外部的比例相仿 P r 的毗咯环虽有四个非极性的亚 甲基 却 有出现在蛋白质分子表层的强烈倾向 仅Ly s 比 P r 强 这是与实验事实相吻合的 毗咯与 水混溶山 聚脯氨酸是水溶性最好的多聚氨酸 之一 结晶态 的聚脯氨酸对水有强 烈的亲和 作用t 1 1 故P r 残基的疏水作用与表 5 所示顺 序一致 表S扭谷酸的理人分救 氨基酸 埋人分数 氨基酸埋人分数 触的原子 的可装配面积小于整个 残 基的 关 的氨基酸分数建立起来的 数据见表 6 根据 表 6 残基分成两类 极性 I l e v a l P h e C L e u Me t A l t G l y 非极性 Trp Thr Se r Glu Pr o Hi s Asp Ty r As n G l n Ly sAr g 埋在分子内部残基的百分数与侧链之极性 成反 比 非极性残基埋人 9 5 多 以上表面的 比 例是 0 4 4 带有一个极性侧链原子 的残基埋人 95多以上装配面积的 比例是0 2 2 带有二个极 性侧链原子的残基的相应值是 0 11 整体平均 值是 0 28 与 W e rrz seherag a 标度的户 0 57 相比 该标度的疏水性条件严格 考虑1 2 种蛋 白质中几乎完全不与溶剂接触的某一残基 百分数 但这种定义法能把某些与水 溶剂 接触很少 的残基也认为是存在于分子外面 在 表 和表 6 中 T rp His Tyr A rg 和 Gly的 相互位置差较大 一种可能的原因是各自采用 的蛋 白质样品 的数量和 种类不 同 但主要原 因 是 两种方法所定义 的蛋白质表面不 同 0 J 扭荃曲的9 5 埋人的分擞 氨基酸 95 埋人 的分数 氨基酸 95 埋人 的分数 份阮下 一 印腼 娜0 4 9即0 4 10 3 8 啸曰喃计0 3 l 叮 r g阶卜h rl u印 r oI uy s S 石户户IC户PG L z式U j八 了 加 人U内乙n Ud 一 O八八乃 U t 2工J 矛网了 b lj n目 n l J内U n切八 Un 八U UnUnU P h e师c y s l l e L e u Me tv a l蹄知A 1 a 山污扩 j 且 了 人nU C U U n nU U I I 八UCU A l aG l v 场T l l r cy s 易于埋人分子内部可 以这样解释 在 蛋白质中几乎所有Cy s 残基都 以胧氨酸的形式 存在 眺氨酸带有两个微极性的二硫键在多肤 链的 二部分间作桥梁作用 避免 了与水接触 这 样极性多大 都不起作用 Ly s 的结构是 在 一个较大非极性侧链 的端 头有一个极性 基团 但 是在表 5 中 Ly s 的埋人 分数 p 最低 表示最偏于分子外部 即Ly s的 全部侧链 不仅极性部分 一般都处在蛋白质分 子外部 原 因认为是与每个Ly s的主 千构象相 应有许多能量相近的侧链构象叭 6 ohot l涵a t 川的标度 该种标度是计算1 2种蛋白质样品中的氨 基酸埋 人分子内部95拓 指残基中可与溶剂接 专 0 38 0 36 0 27 0 23 7 K o m oriya 和 Krigba um L12 的侧链相 互作用参t夸 设一个肤键单元从乙醇转人水中侧链 的自 由能变 化为 G鲡 G 一 V 愁 一 每 一 夸 一苍 犷 专 备 一 2专 左 w 一套 其中 V 是侧链 的摩尔体积 有 七 w 氛 分别代表 侧链 水 乙醇的 相互作用参量 勘 十七 E 可任意 指定 因其只改 变标度的零 点而不影响夸参数的差值 通 过实验求出自由 能 转化值代人上述 公式可算出侧链的相互作用 参数息 见表7 根据表 7 把氨基酸分成三 类 狡 7 氮甚竣的网涟相互作用参橄 由 上也可 以说明 疏水性和极性是有区乌心 的 不能 简单地将二者等 同起来 结语 蛋 白质分子的各种生物功能与其复杂的结 构 密切相关 而疏水基 的相互作用是维持蛋白 质夭然构象的 重要因素 此外还有氢键力 静电 力 范德华力等 因素 因此 有必要进行蛋 白质 分子中氨基酸残基的疏水性研究 氨基酸 氨基酸 r 而 参考文献 1 沈同等著 生物化学 2 N eb e r ga l l W H G e 刀e耐 Ch翻is t心 3 Meir oviteh H R a cko vs场 5 幼d Sehe ra g e H A M a c ro 份olee le 1多 1398一1405 19 80 4 Zim m e r t na n 5 5 etal 两 z邵 e 肠 nd o n 275 673 珍78 多 L c e B R ic h ards F M J 对o l B 萝D I 5 379 1971 6 N o z山 Y Ta nf o rd C J Biol C I Z e附 246 221 1 197 1 7 J o n es D D J T I e o r Biol 50 167 197 8 R aehov s 扮 5 Sc h e aga H A P r o c N以1 A c口d sd U 5 A 7 4 5248 1977 9 Ma na va la n p Po nn u swam y P K N a t re L o ndon 2 75 673 1978 101W ert z D H Seher昭a H A 从 份耐 坛 11 9 珍78 1 1 Choth i a C J 对 0 1 Bio f 105 1 197 6 12 K rig haum W R Ko m o r iy a A B矛 oc h 俪 B洛 Pl 夕了 Acta 576 204 1979 C131 K r igba um W R R u bi n B H Bi oc h沁 B若 P事 乞y了 Act乌 229 368 1971 14 Pietet A C ourt G 以 e形 BI O I 40 3771 1907 15 Ber s e r A et al 以 e形 S o e 76 5 52 1